第六感：機(jī)器人利用類人觸覺感知實(shí)現(xiàn)無攝像頭導(dǎo)航

研究人員開發(fā)出無需攝像頭或外部追蹤裝置，便能感知觸摸與運(yùn)動(dòng)的軟體機(jī)器人。

新加坡國立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一款軟體機(jī)器人系統(tǒng)，賦予機(jī)器類似人類的軀體感知能力，使其能夠在無需依賴攝像頭或外部追蹤系統(tǒng)的前提下，檢測觸摸、外力及自身運(yùn)動(dòng)。

該研究聚焦于本體感覺——通常被稱為人體的“第六感”，它幫助人類無需觀看即可了解身體的位置與動(dòng)作。研究團(tuán)隊(duì)利用所謂的“預(yù)期感知”框架，在軟體機(jī)器人中復(fù)現(xiàn)了類似的能力。

該系統(tǒng)使機(jī)器人能夠預(yù)測自身身體應(yīng)如何運(yùn)動(dòng)，并將該預(yù)測與實(shí)時(shí)感官反饋進(jìn)行比較。任何不匹配都預(yù)示著外部接觸或環(huán)境交互。研究人員表示，這有助于機(jī)器人區(qū)分自身運(yùn)動(dòng)與外部力量，而這一點(diǎn)長期以來一直是軟體機(jī)器人領(lǐng)域的難題。

為了測試該技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)為柔性機(jī)器人配備了基于液態(tài)金屬的傳感器，能夠測量彎曲、應(yīng)變和形變。隨后，機(jī)器人利用內(nèi)部感知進(jìn)行導(dǎo)航，并實(shí)時(shí)響應(yīng)物理交互。

機(jī)器人獲得第六感

新加坡國立大學(xué)機(jī)械工程系Cecilia Laschi教授表示：“軟體機(jī)器人同樣需要本體感覺。”

研究人員指出，傳統(tǒng)軟體機(jī)器人面臨困境，因?yàn)槠鋺?yīng)變傳感器既會(huì)對(duì)自身運(yùn)動(dòng)做出反應(yīng)，也會(huì)對(duì)外部接觸做出反應(yīng)，導(dǎo)致難以判斷周圍實(shí)際發(fā)生的情況。

新框架通過模仿人腦預(yù)測感官反饋的方式來應(yīng)對(duì)這一問題。機(jī)器人根據(jù)運(yùn)動(dòng)指令計(jì)算出預(yù)期的身體位置，并將其與柔性結(jié)構(gòu)收集到的傳感器讀數(shù)進(jìn)行比較。

研究團(tuán)隊(duì)在一個(gè)迷宮導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)中測試了該系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)中，機(jī)器人在無攝像頭的情況下自主移動(dòng)，完全依靠觸摸和內(nèi)部感知來檢測墻壁并調(diào)整運(yùn)動(dòng)路徑。

在另一項(xiàng)測試中，人類操作員引導(dǎo)機(jī)器人完成類似于在人體模型上進(jìn)行的按摩或醫(yī)療操作的動(dòng)作。隨后機(jī)器人能夠高精度地學(xué)習(xí)并重復(fù)這些動(dòng)作。

無攝像頭導(dǎo)航成為現(xiàn)實(shí)

Laschi教授表示：“它能在0.4秒內(nèi)檢測到外部接觸，并以極高的精度區(qū)分接觸來源。即使在動(dòng)態(tài)環(huán)境中，機(jī)器人也能以低于10度的誤差幅度識(shí)別施加力的方向。”

研究人員認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)可以改善醫(yī)療保健、康復(fù)以及輔助機(jī)器人領(lǐng)域的人機(jī)交互。配備了先進(jìn)傳感能力的軟體機(jī)器人，最終有望幫助老年用戶、協(xié)助護(hù)理人員，或在微創(chuàng)手術(shù)中為外科醫(yī)生提供支持。

研究團(tuán)隊(duì)還看到了在水下機(jī)器人中的應(yīng)用前景。例如，受章魚手臂啟發(fā)的機(jī)器人，可以利用基于觸摸的感知能力在攝像頭可能因黑暗或能見度差而失效的環(huán)境中進(jìn)行導(dǎo)航。

“機(jī)器人學(xué)本質(zhì)上是一個(gè)跨學(xué)科領(lǐng)域，”Laschi教授補(bǔ)充道，并指出神經(jīng)科學(xué)、材料科學(xué)、人工智能和生物學(xué)在塑造未來機(jī)器人系統(tǒng)方面的作用日益增強(qiáng)。

未來，研究人員計(jì)劃利用機(jī)器學(xué)習(xí)模型來改進(jìn)預(yù)測系統(tǒng)，這些模型的靈感來自于人腦如何通過經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建內(nèi)部表征。

該研究成果發(fā)表于《自然·通訊》。

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